航標船管系三維建模研究

楊衛

摘 要：本文以航標船管路系統三維建模為例，詳細闡述航標船三維建模過程中遇到的問題及解決辦法，突出Creator軟件進行航標船三維建模時的強大功能和優勢。

關鍵詞：虛擬現實技術 三維建模軟件 Creator

虛擬現實技術是利用電腦模擬產生出三維空間的虛擬世界，給用戶提供視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶如同身臨其境一般。目前，虛擬現實技術的應用已廣泛涉及軍事、教育培訓、工程設計、商業、醫學、影視、藝術、娛樂等眾多領域，并帶來了巨大的經濟效益。

在船舶領域，通過虛擬現實技術不僅能提前發現和解決實船建造中的問題，還為管理提供了充分的信息，真正實現船舶設計、建造、管理一體化。虛擬設計涵蓋了建造、維護、設備使用等傳統設計方法無法實現的領域，真正做到產品的全壽期服務。因此，通過面向船舶整個生命周期的船舶虛擬設計系統的開發，大大提高了船舶設計的質量，減少船舶建造費用，縮短船舶建造周期。本文結合“航道維護船舶虛擬機艙漫游系統研究與開發”項目，在對整個機艙內管路系統有了深入了解以后，利用creator軟件對機艙內部管路系統進行一個詳細的三維建模。

Creator三維建模工具介紹

1、Creator基本介紹

Multigen Creator系列軟件，由美國Multigen-Paradigm公司開發。Creator軟件擁有實時應用的Open Flight數據格式，強大的多邊形建模、矢量建模、大面積地形精確生成功能，以及多種專業選項及插件，能高效、優化地生成實時三維（RT3D）數據庫，并與后續的實時仿真軟件緊密結合，在視景仿真、模擬訓練、城市仿真、交互式游戲及工程應用、科學可視化等實時仿真領域有著世界領先的地位。

2、Creator軟件特點

Creator的模型文件采用Multigen開發的OpenFlight數據格式。 Open Flight采用幾何層次結構和節點（數據庫層次、組、物體、面等）屬性來描述三維物體，其邏輯層次結構及細節層次、截取組、 繪制優先級、分離面等功能，極大地提高了實時系統的性能。該文件格式已經成為視覺仿真領域最為流行的標準文件格式，也是 Creator優于其它建模軟件的重要原因之一。

Creator軟件具有優良的操作界面。Creator界面簡潔、直觀，并包含一套功能強大的建模工具， 建模操作簡單、 易用。如圖1所示， Creator在所見即所得的環境中創建可視層級數據庫， 能夠隨時觀測到在數據庫的動態。

具有地形表面生成和矢量建模功能。Creator作為專門面向可視化仿真應用的實時三維仿真建模系統，具有一套快速創建大面積地形表面模型的強大工具， 使地形精度接近真實世界，并帶有高逼真度三維特征及紋理特征。Creator利用一系列投影算法及大地模型，生成并轉化地形， 同時保持與原形一致。通過紋理影射， 可生成逼真的地景，包括道路、河流、市區等特征。

航標船管路三維建模及優化

1、材質的應用

不同物體是由特定質地的材料構成的，比如樹木，金屬和塑料的質地有著明顯的區別。Creator軟件為了更形象地模擬現實世界中的不同材質構成的物體，在軟件中設置了材質功能，建模時通過應用該功能繪制的三維模型能夠更加逼真。

本文中所構建的管路，需要顯現出金屬的特點，所以需要調整材質和光照的明暗，以達到三維仿真要求。但是要特別注意的是，只有在gouraud，lit或者lit gouraud光照模式下模型對象才能在圖形視圖里面正確的顯示材質的效果。每個數據模型庫都用自己的材質調板，材質調板里面包含了可以賦予模型對象的材質，建模時可以通過它所提供的材質調板窗口方便的進行材質的設置操作。單擊工具欄上的當前材質按鈕，可以彈出如圖2所示的材質調板窗口。

默認的材質調板內包括了64種可用的材質，每一種材質都有著唯一的索引值，范圍為0-63，當然也可以將某種特定的材質取個特定的名稱便于使用。如果需要使當前的材質調板配置為Creator默認的材質調板配置，在保存的時候只需要將該材質配置文件保存至系統默認的配置文件路徑下。

雖然系統只提供給了64種材質，但可以通過材質調板窗口中的‘Edit/New菜單命令彈出的材質編輯器來創建任意數量的材質，如圖3所示。

在使用材質的時候要注意到對于同時使用了顏色和材質的面來說，由于材質在顯示時優先于顏色屬性，所以說如果需要材質的顏色和面的顏色一致最好要調整材質的相應參數。此外，如果所繪制的多邊形使用了透明材質的同時有設置了面的本身透明度，則Creator會進行疊加，如果材質透明度是0.7，而該面的透明度是0.5，那么它的實際顯示效果是0.35。圖4是管路圖中輔機所使用的材質參數。

2、多模型的拼接

2.1MultiGen Creator模型合并

在航標船的三維建模中，連接工作量較大，如果整條船都由一個人來完成，工作量可想而知，所以在此項目的實施過程中，將整船分解成若干單元進行建模，包括船舶駕駛臺，舵機室，機艙管路系統以及船舶江景的構建，這樣一來就存在一個多模型整合的問題。因此當每部分的工作都完成后，最重要的一步就是依據航標船的原始位置，尺寸，相對關系進行整合拼接，將它拼接成一個完整的船體。

小場景的拼接。如果建立的三維場景不大，模型數量不多，也就是說需要合并在一塊的文件數目較少的話則可以采用以一個文件為基本，將其他文件拷貝到這個文件中生成最后的文件。將其他模型通過粘貼拷貝到這個基本文件中并置于合適的位置，同時在層級目錄結構中調整層次關系，可以達到整合場景的目的。這種方法的優點是方法簡單易用.生成后的文件模型不會發生轉移儲存地址后就丟失紋理的事情，并且便于保存。其缺點是隨著局部模型的不斷加入，生成的FLT文件越來越大，進人場景的速度慢，刷新時間也長，不利于實時漫游，適用于簡單場景。endprint

大場景復雜景物的模型整合。對于一些大型場景，復雜景物的三維建模，例如整船的三維建模，用小場景的建模方式定然會遇到刷新時間過長的問題。因為整船上設備過多，所建三維模型所占空間較大，如果把所有的對象模型都復制到一個文件里面，將會過于累贅，無法加載和刷新場景。這時必須要用到“External Reference”外部引用的方式來完成此類大型場景的拼接，將所有的單體模型導入，這樣每個模型對象的三維模型文件和紋理文件都是被單獨保存的，互相獨立，能夠使最后的整合文件變小。當運行視景仿真程序時，計算機將只顯示要求通過openflight數據關系進行快速的視景裝配，這樣計算機的CPU負擔會大大減輕，不會因為一次性調入過多的圖形和紋理而死機或者使漫游速度過慢。

2.2 3Dmax模型導入MultiGen Creator

眾所周知，3Dmax以建模詳細著稱，在航標船的建模過程中某些精細模型，例如駕駛臺的電話，真皮座椅等都是基于3Dmax進行構建的。而精細的代價就是模型文件過大，嚴重影響視景系統的實時性，因此在3Dmax模型導入之后，還需要對其進行整合優化。在3D MAX的建模完成后，模型以3ds的文件存儲。一個3ds的文件包含一系列的有用信息，用于描述由一個或多個物體構成的3d場景的每一個最小的細節。

3ds文件導入MultiGen Creator有兩種方法：第一種方法是直接導入，這種轉換過程會有一些錯誤產生，例如遺失或置換面數。這些錯誤可以用MultiGen Creator的轉換，復制工具校正。另一種方法是模型附上3D MAX的網格形式，再導入creator。圖5（a）（b）分別是剛剛導入3DS模型層次化結構和一個整理后的creator openflight層級結構。

對比兩圖可知，圖5（a）的子父組的關系紊亂，不便于后續模型的添加與修改，所以要對其節點進行整理優化，優化步驟如下：①忽略看不見的細節。例如，如果管子內部不必顯示，則用實心體來代替。②忽略對整體視覺效果影響不大的細節。在機械式的系統中有很多傾斜的邊緣，它們在3D MAX中并不重要。如果在3DMAX中對這些細節建模，特別是內圓角，模型的面數會有很大的增加，因此將這些細節忽略。③用紋理表現一些細節。許多機械式系統有鉚釘或硬邊會占用很多面，改變的方法是渲染模型，即通過凹凸映射表現這些細節，獲取位圖，然后應用位圖到模型的表面。④用簡單模型替代復雜模型。在大型仿真場景系統，圓柱體通常用三棱柱或四邊形代替，我們在繪制圓管時最多也只用16邊形。⑤在不失精確度的前提下縮減模型的段數。段數和視覺效果之間的平衡是很重要的，當模型的段數增加，模型的平滑性會更好，但是數據量也就隨之變得更大。⑥編輯模型的子對象和刪除對場景效果影響甚微的子節點。

3、模型數據庫優化

管路建模時要注意節點的設置，即在建模過程中注意數據庫的優化。OpenFlight數據庫文件采用層次化的結構來存儲三維模型，從上到下主要是根節點、組節點、體節點、面節點和點節點等。節點的層級結構和組織方式影響視景生成中的剔除和繪制，在很大程度上決定了模型數據庫的實時性能。實時視景驅動軟件是按照從上到下、從左到右的順序依次遍歷數據庫節點，進行節點截取計算。模型數據庫可以按照線性結構、邏輯結構、空間結構三種形式來組織。邏輯結構是將所有體節點按照邏輯規則分別放在不同的組節點下。例如以船舶機艙為例，船舶機艙為體節點，兩個主機歸并為主機組，所有管道歸并為管道組。按照邏輯結構組織模型數據庫，在建模過程中比較方便，便于編輯和修改節點，但會影響到剔除效率。圖6所示航標船機艙數據庫是典型的邏輯劃分特征。

空間結構是按照物理空間對節點進行分組，實時系統可以快速判斷出哪些區域在或不在當前可視范圍內，而不用對場景中的所有體節點進行遍歷操作，所以能夠顯著提高模型的運行速度。對大型的模型而言，這種速度優勢會更加明顯。

總結

本文以航標船管系三維建模為例，簡述了基于三維建模工具MultiGen Creator的三維建模基本方法。重點介紹了creator中的材質設定，多模型拼接以及模型優化功能。除此之外，Creator 的層次化模型數據結構OpenFlight也是一大亮點。

接下來，擬對管路模型的逼真度進一步改進，比如：對管路表面的老化及生銹現象進行表現；針對教學培訓，將重要閥件用特殊顏色或紋理表示等。

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